Bude lepší baterie než lithium-iontová?

Jaký je rozdíl mezi polovodičovými a lithium-iontovými bateriemi? Jak fungují lithium-iontové baterie a proč jsou v EV lepší ty polovodičové?

Senior Research Scientist

Lithium-iontové baterie pohánějí velkou část naší technologie; od mobilních telefonů v našich kapsách až po velké kamiony na baterie. Ale polovodičové baterie mohou být výkonnější, kompaktnější, bezpečnější a udržitelnější možností, zejména pro elektrická vozidla.

Silniční doprava představuje přibližně 15 % všech globálních emisí CO 2 . To je důvod, proč si mnoho vlád po celém světě nedávno stanovilo ambiciózní cíle, aby zajistily, že všechny prodeje nových aut budou mít do roku 2035 nulové emise.

Mezi země, které učinily tento závazek, patří Spojené království, Singapur, Kanada, Chile a všechny země, které jsou v Evropském hospodářském prostoru (EHP). Přidejte k tomu některé z nejbohatších a nejlidnatějších států USA, jako je New York a Kalifornie, a existuje globální chuť na změnu.

To je jeden z faktorů, který zvyšuje poptávku po elektrických vozidlech (EV), jejichž prodej exponenciálně roste ve Spojeném království a po celém světě. Nyní běží závod o to, aby technologie a výroba baterií udržely tempo.

Omezení současných baterií EV

Elektromobily jsou napájeny lithium-iontovými bateriemi, což je technologie, která je velmi žádaná, ale na cestě před námi čelí vážným výzvám. Jejich současné iterace jsou drahé a těžké, přičemž existují také pochybnosti o jejich dlouhé životnosti a bezpečnosti – zejména v případě nehod.

Růst výroby elektromobilů a role bateriového úložiště pro elektřinu v energetické síti také znamená, že existují obavy z rostoucí potřeby kritických minerálů, jako je kobalt, měď, nikl a lithium. To nutí výrobce baterií a elektromobilů, aby prozkoumali alternativy, jako jsou polovodičové baterie.

Jaké jsou rozdíly mezi lithium-iontovými a polovodičovými bateriemi?

Lithium-iontové baterie se skládají z elektrických kontaktů spolu se čtyřmi dalšími hlavními součástmi:

Katoda (kladná elektroda), která obsahuje zdroj iontů lithia.
Anoda (negativní elektroda), která je vyrobena z materiálu akceptoru iontů, jako je uhlík nebo grafit. Separátor, plast-polymerní izolační materiál, který udržuje katodu a anodu od sebe. Elektrolyt, kapalné médium, které obsahuje lithnou sůl, kterou proudí ionty.

Když zapnete auto, které používá lithium-iontovou baterii, uzavře se a propojí obvod, jehož je baterie součástí. To způsobí, že se kladně nabité ionty lithia pohybují kapalným elektrolytem a separátorem od anody ke katodě. To způsobuje chemické reakce, které generují elektrony, které se ve vnějším obvodu pohybují opačným směrem a generují elektrický proud napájející auto. Při nabíjení se ionty a proud pohybují obráceně.

Naproti tomu polovodičové baterie obsahují pevnou lithiovou kovovou anodu a pevný keramický elektrolyt – který zároveň funguje jako separátor. Zde se separátor stává součástí pevného média, kterým se ionty lithia pohybují. Při nabíjení tvoří ionty lithia na anodě pevnou vrstvu lithia. Má menší objem než anoda v lithium-iontové baterii – což znamená, že menší baterie může generovat více energie.

Výhody polovodičových baterií

Pevné baterie jsou dobrou alternativou ke konvenčním lithium-iontovým bateriím z několika důvodů:

1. Velikost. Pevný elektrolyt potenciálně nahrazuje potřebu separátoru, který by mohl zabírat méně místa než tekutý elektrolyt, takže polovodičové baterie mohou být menší než běžné lithium-iontové baterie. Nedávné vědecké pokroky znamenají, že by to mohlo být nakonec aplikováno na letadla na krátké vzdálenosti a těžká nákladní vozidla.
2. Hmotnosti. Lithium je nejlehčí kovový prvek, takže lithiová kovová anoda v polovodičových bateriích – a schopnost přenášet vyšší hustotu energie v menším balení – z nich činí lehčí variantu pro elektromobily. Jak se elektromobily pomalu zvětšují, musí se zvětšovat i baterie, které je napájejí. Toto zvýšení hmotnosti znamená, že se pozornost přesouvá od výfuků k jiným zdrojům znečištění, jako jsou částice v pneumatikách. To vytváří přesvědčivý důvod ke snížení hmotnosti EV (a jejich baterií), ke snížení opotřebení pneumatik a počtu částic, které se z nich uvolňují.
3. Bezpečnost. Lithium-iontové baterie obsahují těkavý, hořlavý tekutý elektrolyt, který může způsobit požár. Naproti tomu polovodičové baterie snesou vyšší teploty a mají vyšší tepelnou stabilitu, což z nich činí bezpečnější alternativu.
4. Většíkapacitaa rozsah. Menší velikost a vyšší energetická hustota znamená, že lze zabalit více do méně. To potenciálně zvyšuje počet najetých kilometrů, přičemž alespoň jeden výrobce tvrdí, že budou schopni ujet 745 mil na jedno nabití.
5. Rychlejší dobíjení. Nabití lithium-iontových baterií v elektromobilech obvykle trvá 20 minut až dvanáct hodin. Nabití polovodičových baterií na alespoň 10 % může trvat pouhých 15 nebo 80 minut. Kromě toho lze polovodičové baterie během jejich životního cyklu nabít 5krát více než lithium-iontové baterie, což prodlužuje životnost.
6. Nižší uhlíková stopa. Při výrobě polovodičových baterií se používá méně materiálů, což by mohlo snížit jejich dopad na klima o 39 % ve srovnání s lithium-iontovými bateriemi.

Jak CPI pomáhá řídit pokroky v technologii baterií

Proto využíváme naše odborné znalosti a schopnosti v oblasti bateriových úložišť, abychom se pokusili najít řešení těchto problémů. Pomocí našich £ 27 . 6milionový podíl z UK Research and Innovation’s Faraday Battery Challenge spolupracujeme s Ilika Technologies Ltd, BMW Motorsport Ltd a dalšími partnery na vývoji elektrod s vysokým obsahem křemíku pro integraci do baterií EV. Pracujeme také na projektech v popředí tištěné elektroniky, analýzy životního cyklu a recyklace baterií elektromobilů.

Od výzkumné laboratoře až po silnice pomáháme napájet novou generaci účinných a ekologických elektrických vozidel.